Эволюция Вселенной и происхождение жизни
Шрифт:
До экспедиций «Викингов» состав атмосферы Марса оставался неизвестным. На пике популярности марсианских каналов, в 1909 году, в Ликской обсерватории Уильям Кэмпбелл провел спектральные наблюдения Марса и не обнаружил воду, что противоречило гипотезе о заполненных водой каналах: испарения с водной поверхности должны быть заметны в атмосфере. Вначале предполагали, что у Марса может быть довольно значительная атмосфера. В обсерватории Мак-Дональд (шт. Техас) Джерард Койпер (1905–1973) смог обнаружить двуокись углерода — первую составляющую марсианской атмосферы. Наличие относительно плотной атмосферы подтверждалось также разницей размеров между большим ультрафиолетовым изображением, показывающим твердую поверхность планеты вместе с атмосферой, и изображением меньшего размера в ближнем инфракрасном диапазоне, где была видна только твердая поверхность.
Первый точный анализ атмосферы Марса провели космические зонды «Викинг-1» и «Викинг-2», севшие на Марс в 1976 году. За несколько лет работы на Марсе они полностью изменили наши знания об этой планете. Сейчас известно, что атмосфера Марса содержит 95 % двуокиси углерода, около 3 % аргона и только 2 % азота. Кислорода очень мало, всего 0,15 %, а воды еще меньше (0,03 %). Среднее атмосферное давление у поверхности составляет только 8 миллибар, или 1/120 давления у поверхности Земли. А на вершине 25-км горы Олимп давление атмосферы даже меньше, чем 1 мбар (рис. 31.3). Атмосфера Марса настолько разреженная, что не может удерживать жидкую воду на поверхности. В течение марсианского года атмосферное давление существенно меняется, поскольку зимой значительная часть двуокиси углерода конденсируется на полюсе в виде инея. Изменение давления составляет ±12 % с некоторой асимметрией между северной и южной зимой.
Рис. 31.3. Это изображение марсианских вулканов построено по данным лазерного альтиметра орбитального аппарата «Марс Глобал Сервейер». Гора Олимп — крупнейшая гора в Солнечной системе. С разрешения NASA.
«Викинги» были первыми и до сих пор единственными экспедициями, которые искали жизнь на Марсе. На каждом из аппаратов было проведено по три биологических теста. Кроме того, газовый хроматограф искал химические соединения в верхних слоях мар-сианского грунта и измерял состав атмосферы вблизи поверхности. Хотя это и не был чисто биологический тест, но все же выяснялась локальная концентрация кислорода, озона, метана, формальдегида и других газов, связанных с жизнью. Обнаружилось немного паров воды, но не было найдено ни одного из органических газов.
Три остальных теста предназначались для поисков жизни. Они проводились в закрытых камерах. В эксперименте по газовому обмену измерялось производство и поглощение CO 2, N 2, СН4, Н 2и O 2.
Вначале из закрытого контейнера изгонялась начальная атмосфера Марса путем наполнения контейнера гелием, затем туда вводилась смесь Не, Кг и CO 2. Питательные вещества добавлялись с неоном, который служил диагностическим газом. Газовый состав постоянно измерялся. Проверялось, дышит ли что-нибудь в исследуемом образце почвы. В эксперименте по выделению метки тоже проверялось наличие дыхания. Но в этом случае питательный раствор содержал радиоактивный углерод 14С. В эксперименте постоянно отслеживалось возможное выделение 14С из-за организмов, которые могли питаться раствором.
В эксперименте по пиролизу искали возможность фотосинтетической или химической связи изотопа 14С с молекулами СО или CO 2. Выдержав образец почвы 5 дней в инкубаторе с газом, помеченным изотопом 14С, его сначала нагревали до 120 °C и «проветривали» инертным газом, чтобы изгнать непрореагировавшие СО и CO 2. Затем его прокаливали до 650 °C, чтобы произошло термическое разложение гипотетических марсианских микроорганизмов, и выделившиеся органические вещества собирали в испарительную камеру. Наличие в этом газе радиоактивного изотопа 14С должно было доказать существование метаболизма.
В 1976 году, во время проведения экспериментов «Викингов», еще не был открыт один из трех основных доменов жизни. В 1977 году профессор микробиологии Карл Вёзе и специалист по биоинженерии Джордж Фокс открыли новый домен живого, скрывавшийся до этого в тени бактерий, — археи. Оказалось, что этот домен почти целиком состоит из экстремофильных организмов. Это микробы, выживающие и даже процветающие в условиях, которые мы бы назвали невыносимыми для эукариотических организмов, таких как люди и растения. Эти условия подразумевают сильную засуху, высокое содержание соли, сильное ультрафиолетовое излучение, экстремальные значения температуры, высокую кислотность или щелочность.
Сейчас считается вполне вероятным, что жизнь на Марсе существует в виде архей и бактерий. Учитывая обилие разных метаболических систем у этих организмов, результаты экспериментов «Викингов» по поиску жизни на Марсе уже выглядят не столь однозначно. Эти зонды могли бы в большинстве случаев найти жизнь на Земле, но неясно, смогли бы они сделать то же самое на Марсе. Кроме того, не исключено, что жизнь была уничтожена реактивной струей или водой еще до проведения экспериментов. К тому же микробы вряд ли могут выжить в верхнем слое грунта, собранном манипуляторами «Викингов» для экспериментов. Ультрафиолетовое излучение может быть для микробов смертельным. Если бы копнули поглубже, на 1–2 метра, было бы гораздо лучше. Эти области защищены от интенсивного ультрафиолета и по причине более высокого давления могут содержать полости с жидкой водой.
После экспедиций «Викингов» наступила пауза, продолжавшаяся 20 лет, прежде чем новые зонды отправились к Красной планете. Но после этого к Марсу устремилась целая армада, умножившая наши знания об этой планете. «Пасфайндер» сел на Марс 4 июля 1997 года. Этот самоходный аппарат исследовал Марс в течение двух месяцев. Почти одновременно с ним был запущен и вышел на орбиту вокруг Марса аппарат «Марс Глобал Сервейер», проработавший до 2006 года, когда его сигналы пропали. В 2001 году на орбите вокруг Марса появился «2001 Марс Одиссей». В июне 2003 года был запущен европейский «Марс Экспресс», который вышел на орбиту вокруг Марса в декабре 2003 года. С собой он привез спускаемый аппарат «Бигль-2», который разбился при посадке; а орбитальный аппарат успешно работает до сих пор. С начала 2004 года по поверхности Красной планеты бродят два марсохода — «Спирит» и «Оппортьюнити». С 2006 года вокруг Марса обращается «Марс Риконисенс Орбитер». В 2008 году посадочный аппарат «Феникс» искал воду и пригодные для жизни условия в почве Марса. Но ни одна из экспедиций после «Викингов» напрямую не искала на Марсе жизнь.
Уже составлена весьма подробная карта Марса. Бледное северное полушарие довольно плоское и низменное, с небольшим количеством кратеров. Более темное южное полушарие — это возвышенная область с большим количеством кратеров. Различие в цвете вызвано разным цветом пыли, покрывающим эти области. Наиболее заметной деталью Марса при наблюдении с Земли в телескоп является плато Большой Сирт — темный «полуостров» со множеством кратеров, протянувшийся к северному полушарию. Со спутников он не кажется чем-то особенным. Зато огромные марсианские вулканы и глубокие каньоны с Земли выглядят не очень впечатляюще. Огромный 200-км ударный кратер Эллада в южном полушарии очень заметен при наблюдениях как земными телескопами, так и со спутников.
Огромные марсианские вулканы демонстрируют разницу между Марсом и Землей. Наши вулканы, сформированные всплывающими мантийными плюмами, часто образуют вулканические цепи, поскольку кора над плюмами перемещается, будучи частью тектонической плиты. Известный пример этого — цепь Гавайских островов. Некоторые вулканы на Марсе гораздо крупнее и массивнее земных. Это означает, что кора Марса не испытывает активных тектонических движений плит, поэтому лава от вулканической активности собирается в одном месте, образуя гигантский вулкан. Пока неизвестно, существует ли на Марсе вулканическая активность в нашу эпоху. Долины Маринера на плато Фарсида — замечательный пример прошлой геологической активности (см. цветную вкладку). Этот каньон имеет ширину 200 км, длину 4500 км и глубину до 11 км; он мог бы протянуться «от берега до берега» США. В действительности, долины Маринера — это не каньон, сформированный водной эрозией. Скорее это рифтовая долина, образованная разрывом земной коры и похожая на Восточно-Африканскую рифтовую долину, которая включает в себя, например, самые большие озера Восточной Африки и Мертвое море. Рифтовые долины образуются, когда куски суши удаляются друг от друга, а маленькая часть между ними проваливается.